Что отличает горнодобывающие нагрузки с точки зрения электричества от других промышленных применений

Большинство промышленных энергосистем спроектированы с учетом относительно предсказуемого профиля нагрузки: сочетание двигателей, освещения и технологического оборудования, которое потребляет ток стабильно, с периодическими ступенчатыми изменениями при запуске мощных двигателей. Горнодобывающая деятельность представляет собой принципиально иную картину. Электрические нагрузки, характерные для шахты — мельницы, дробилки, подъемники, насосы, вентиляторы — характеризуются циклическими нагрузками по току большой величины, которые повторяются непрерывно в течение смены, часто без предупреждения и с временем нарастания, измеряемым в циклах, а не в секундах.

Термин «ударная нагрузка» в горном деле относится к внезапному значительному увеличению механической нагрузки на уже работающую машину с приводом от двигателя. В отличие от запуска двигателя, где ожидается высокий пусковой ток, ограниченный по времени и возникающий из стационарного состояния, ударная нагрузка приводит к ступенчатому изменению крутящего момента работающего двигателя, вызывая соответствующее ступенчатое изменение тока, потребляемого из системы питания. Это различие имеет значение для проектирования защиты: событие запуска двигателя длится несколько секунд, а затем прекращается, когда двигатель достигает скорости; событие ударной нагрузки может длиться от миллисекунд до минут и может повторяться десятки раз в час в ходе непрерывной работы.

Три дополнительные характеристики усложняют проектирование энергосистемы для горнодобывающей промышленности. Во-первых, горнодобывающие нагрузки являются удаленными: электропитание должно проходить большие расстояния от точки подключения к сети до забоев и аппаратных, а это означает, что сопротивление кабеля увеличивает падение напряжения во время каждого скачка тока. Во-вторых, нагрузка на добычу полезных ископаемых велика по сравнению с поставкой: один двигатель мельницы ПСИ может потреблять столько же энергии, сколько небольшой жилой пригород, а это означает, что его текущие помехи влияют на всю шину объекта. В-третьих, горнодобывающие нагрузки работают в средах, где отказ оборудования влечет за собой последствия для безопасности, выходящие далеко за рамки финансовых потерь — особенно в подземных средах, неправильная работа защиты, из-за которой оборудование работает в неисправном состоянии, может быть фатальным.

Четыре основных источника ударных нагрузок в горнодобывающей промышленности

Не все ударные нагрузки в горнодобывающей промышленности имеют одинаковую электрическую характеристику. Понимание характеристик источника каждого основного типа ударной нагрузки является необходимым условием для разработки систем защиты, которые могут отличить нормальный переходный режим работы от реального аварийного состояния.

ПСИ и шаровые мельницы являются источниками ударных нагрузок самой высокой мощности в большинстве операций по добыче твердых пород и золота. Двигатель мельницы ПСИ, обычно мощностью от 5 до 20 МВт, приводит в движение вращающийся барабан, наполненный рудой и стальными шариками. При изменении состава руды или поступлении в мельницу крупных камней механическая нагрузка на двигатель резко и многократно меняется. Электрическая характеристика представляет собой серию импульсов тока, наложенных на высокую непрерывную нагрузку: ток может варьироваться от 80% до 150% номинального тока полной нагрузки от цикла к циклу во время нормальной работы. Поскольку двигатель никогда по-настоящему не находится в устойчивом состоянии, защита от перегрузки по току должна быть настроена так, чтобы выдерживать постоянный ток, превышающий номинал, указанный на паспортной табличке, без отключения, но при этом реагировать на подлинное состояние заблокированного ротора в течение времени термической стойкости двигателя.

Первичные дробилки представляют аналогичный, но более нерегулярный профиль шока. Когда порода слишком большого размера попадает в щековую или вращающуюся дробилку, дробильный механизм на мгновение останавливается, а затем освобождается по мере разрушения породы. Это приводит к резкому скачку тока — часто достигающему 400–600 % тока полной нагрузки в течение 100–500 миллисекунд — с последующим возвратом к нормальному рабочему току. Проблема при проектировании защиты состоит в том, что этот выброс по величине неотличим от повреждения обмотки ротора, если реле не имеет возможности селективности по времени задержки. Дробилки также часто переключаются на реверс для очистки застрявшего материала, что приводит к собственным переходным процессам тока и не должно вызывать срабатывания защиты.

Прямой запуск больших насосов и вентиляторов являются наиболее аналитически управляемым источником ударной нагрузки, но наиболее важным для качества напряжения. Большой центробежный насос или шахтный вентилятор, запущенный при прямом включении (DOL), потребляет ток запертого ротора, в 5–8 раз превышающий ток полной нагрузки, в течение 10–30 секунд, необходимых для достижения рабочей скорости. В течение этого периода напряжение на клеммах двигателя — и на любой другой нагрузке, подключенной к той же шине — падает пропорционально величине тока и сопротивлению источника питания. Проблема не в самом токе, а в провале напряжения, который он создает: на других работающих двигателях напряжение на клеммах снижается, их крутящий момент падает пропорционально квадрату напряжения, и если провал достаточно серьезный, контакторы двигателя отключаются, и по всей площадке срабатывают сигналы тревоги SCADA.

Шахтные подъемники и подъемники создают ударные нагрузки с характерным профилем ускорения-замедления. В начале каждого ветрового цикла двигатель подъемного механизма ускоряет полностью загруженное транспортное средство против силы тяжести, потребляя большой ток во время фазы ускорения. В конце цикла двигатель регенерирует энергию обратно в систему питания по мере замедления нагрузки. Современные подъемные приводы с регулируемой скоростью плавно управляют этим профилем, но более старые подъемные установки с фиксированной скоростью и резисторными пускателями с контактором производят ступенчатые изменения тока на каждой стадии ускорения - каждый шаг является отчетливым шоком для системы питания - и фаза рекуперативного торможения может создать условия перенапряжения на слабо подключенных участках шины.

Как трансформаторы напряжения подвергаются ударным нагрузкам: термический срок службы, механическая усталость и компромисс между импедансом

Трансформатор, обслуживающий горнодобывающую нагрузку, — это не просто устройство, преобразующее напряжение — это тепловой и механический аккумулятор каждого переходного тока, проходящего через него. Руководство по нагрузке IEC 60076-7 для масляных трансформаторов определяет срок службы изоляции трансформатора с точки зрения температуры в горячей точке, которая увеличивается пропорционально квадрату тока. Трансформатор, работающий при удвоенном номинальном токе, испытывает в четыре раза больший резистивный нагрев, чем при нормальной работе при полной нагрузке. В горнодобывающей промышленности, где токи, в два-шесть раз превышающие номинальный уровень, возникают неоднократно в течение каждой смены, совокупная термическая нагрузка на изоляцию обмоток может сократить срок службы трансформатора значительно ниже 25-40 лет, предполагаемых в стандартных руководствах по нагрузке.

Механическое напряжение столь же значимо, но менее широко осознается. Каждый скачок тока через обмотку трансформатора создает между проводниками электромагнитные силы, пропорциональные квадрату тока. При нормальной нагрузке эти силы скромны. При токе, в шесть раз превышающем номинальный, они в тридцать шесть раз превышают нормальный ток — и действуют в переменных направлениях с удвоенной частотой питания. Повторяющееся циклическое воздействие этих сил утомляет зажимную систему, которая удерживает пакет обмоток под сжатием, со временем ослабляя структуру обмотки. Механически ослабленная обмотка уязвима к истиранию изоляции, вызванному вибрацией, а в случае серьезного сквозного повреждения – к разрушению обмотки. Для силовые трансформаторы для промышленного применения с высокими требованиями , спецификация должна требовать улучшенных систем зажима обмоток, испытаний на стойкость к короткому замыканию в соответствии с IEC 60076-5 и расчетного теплового запаса выше номинального значения, указанного на паспортной табличке, для соответствия профилю горнодобывающей нагрузки.

Выбор импеданса трансформатора для горнодобывающей промышленности предполагает настоящий инженерный компромисс, на который нет универсально правильного ответа. Высокий импеданс — обычно от 6% до 8% по сравнению со стандартными 4–5% — ограничивает предполагаемый ток короткого замыкания во вторичной обмотке трансформатора, что снижает отключающую способность нижестоящего распределительного устройства и энергию короткого замыкания, которую необходимо отключить с помощью защитных устройств. Это существенное преимущество в условиях горнодобывающей промышленности, где уровень короткого замыкания высок, а надежность устранения неисправностей имеет решающее значение с точки зрения безопасности. Однако высокий импеданс также увеличивает падение напряжения на трансформаторе во время скачков пускового тока двигателя. При импедансе 6 % и пусковом токе двигателя, в 6 раз превышающем полную нагрузку, падение напряжения только на трансформаторе приближается к 36 % (до того, как будет добавлен импеданс кабеля), что очень затрудняет ограничение общего падения напряжения на шине до приемлемого уровня. Низкий импеданс улучшает стабильность напряжения во время запуска, но повышает уровень короткого замыкания, что потенциально требует более дорогого распределительного устройства с более высокой отключающей способностью.

Практическое решение этого компромисса обычно включает в себя сочетание выбора импеданса трансформатора, выбора метода запуска двигателя и последовательности пусков больших двигателей. Рекомендации о том, в каких случаях тепловой запас трансформатора и предполагаемая нагрузка чаще всего не соответствуют действительности в приложениях такого типа, см. в нашем анализе ошибки при выборе трансформатора, связанные с запасом по нагрузке и повышением температуры .

Падение напряжения во время запуска двигателя: предел в 15% и почему майнинг его нарушает

Отраслевые стандарты приемлемого провала напряжения во время запуска двигателя: IEEE Std 141, рекомендуемая практика IEEE по распределению электроэнергии на промышленных предприятиях. , согласно которому падение напряжения на клеммах двигателя во время запуска не должно превышать 15%. Этот предел не является произвольным — он отражает минимальное напряжение, при котором контакторы двигателей и реле управления, соответствующие требованиям NEMA, надежно удерживают свои контакты в замкнутом состоянии. При напряжении ниже примерно 85 % номинального контакторы начинают выходить из строя, а это означает, что пуск двигателя, достаточно мощный, чтобы снизить напряжение на шине более чем на 15 %, может привести к отключению работающих в данный момент двигателей, создавая каскад, который хуже исходного возмущения напряжения.

В горнодобывающей промышленности достижение предела в 15 % при прямом запуске больших двигателей часто невозможно без усиления сети или альтернативных методов запуска. Рассмотрим двигатель мельницы ПСИ мощностью 3000 кВт, запущенный прямым способом от питающего трансформатора мощностью 10000 кВА с импедансом 6%. Пусковая мощность двигателя при множителе тока запертого ротора, в 6 раз превышающем полную нагрузку, составляет примерно 18 000 кВА. Эта пусковая потребность превышает номинал трансформатора, что приводит к падению напряжения, которое по простой арифметике импеданса составляет значительно более 15% без учета импеданса кабеля, импеданса питания или других подключенных нагрузок. Напряжение шины во время этого запуска может упасть до 70–75 % от номинального, что значительно ниже порога отключения контактора.

Подробное описание того, как нагрузочная способность трансформатора взаимодействует с этими переходными нагрузками, см. в нашей статье Нагрузочная способность трансформатора и пределы производительности при переменной нагрузке . Для распределительные трансформаторы для промышленных и коммерческих объектов При обслуживании горнодобывающих нагрузок мощностью ниже 1000 кВт проблема провала напряжения менее серьезна, и ее часто можно решить путем тщательного выбора импеданса и запуска только последовательности.

Инженерные решения проблемы провала напряжения делятся на три категории, каждая из которых имеет разные последствия по стоимости и производительности. Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) полностью исключают скачок пускового тока за счет линейного изменения частоты двигателя от нуля — двигатель потребляет только ток полной нагрузки на протяжении всего процесса запуска. Это наиболее эффективное решение и правильный выбор для любого двигателя, где контроль скорости имеет эксплуатационное значение, например, для больших насосов и вентиляторов. Устройства плавного пуска уменьшают пусковой ток примерно в 2–4 раза от тока полной нагрузки (регулируемый), что значительно снижает провал напряжения без полной стоимости и требований по управлению гармониками, как у ЧРП. Они подходят для двигателей, которые работают с постоянной скоростью, но нуждаются в контролируемом запуске. Последовательный пуск — просто гарантирующий, что большие двигатели не запускаются одновременно, с обязательным минимальным временем между запусками — является самым дешевым подходом и может быть реализован с помощью логики SCADA без какого-либо дополнительного оборудования управления двигателем, но он требует эксплуатационной дисциплины и увеличивает время процедуры запуска шахты после отключения электроэнергии.

Координация реле защиты: проблема дискриминации при пуске

Основная проблема координации реле защиты в энергосистемах горнодобывающей промышленности заключается в различении двух событий, которые выглядят почти одинаково с точки зрения величины тока: нормальный запуск большого двигателя и двигатель или фидер, испытывающий настоящую неисправность из-за перегрузки по току. Оба события создают токи, в 4–8 раз превышающие уровень полной нагрузки. Разница заключается в продолжительности и траектории: ток пускового двигателя спадает от уровня заторможенного ротора до полной нагрузки в течение 10–30 секунд по мере ускорения; ток поврежденной цепи остается высоким или увеличивается еще больше по мере падения импеданса повреждения.

Стандартные реле максимального тока с независимой выдержкой времени справляются с этой селективностью, устанавливая ток срабатывания выше ожидаемого пускового тока и выдержку времени, достаточную для того, чтобы двигатель мог набрать скорость. В стандартном промышленном применении это просто: установите ток срабатывания от 120% до 150% от тока заторможенного ротора, установите задержку времени в 1,5 раза больше ожидаемого времени запуска, и реле выполнит все обычные запуски, отключаясь при неисправности. В горнодобывающей промышленности сложность возникает из-за того, что «пусковой» ток для очень больших двигателей может быть близок к максимальному току, который может обеспечить система питания, а это означает, что запас для установки реле выше пускового тока, но при этом все еще ниже доступного тока повреждения, очень узок или отсутствует на некоторых фидерах.

Современные цифровые реле защиты решают эту проблему посредством моделирования тепловых копий. Вместо того, чтобы реагировать исключительно на мгновенную величину тока, реле с возможностью тепловой репликации отслеживает накопленную тепловую энергию в обмотке двигателя с течением времени, используя тепловые постоянные времени двигателя в качестве входных данных. Состояние заблокированного ротора, когда двигатель глохнет и потребляет пусковой ток на неопределенный срок, накапливает тепловую энергию с гораздо большей скоростью, чем при нормальном запуске, и реле срабатывает, когда смоделированная температура обмотки достигает теплового предела, независимо от того, вызвала ли бы сама по себе величина тока срабатывание функции сверхтока с фиксированным временем. Это позволяет реле выдерживать нормальное длительное время пуска, одновременно защищая двигатель от реальных сбоев в опрокидывании.

Дифференциальная защита — сравнение тока, входящего в трансформатор или двигатель на одном наборе клемм, с током, выходящим на другой, — обеспечивает наиболее избирательную защиту для оборудования с наивысшей ценностью и нечувствительна к токам сквозного повреждения и пусковым токам, протекающим симметрично через защищаемую зону. Для крупных двигателей мельниц и трансформаторов, питающих их напрямую, настоятельно рекомендуется использовать дифференциальную защиту в качестве основной функции защиты, а защиту от перегрузки по току использовать в качестве резервной. Дифференциальное реле должно быть настроено на правильное сдерживание броска тока намагничивания, который возникает при первом включении трансформатора и имеет характерную вторую гармонику, которую современные реле могут обнаружить и использовать для блокировки дифференциального отключения во время броска, не блокируя его во время реального внутреннего повреждения.

Защита от замыканий на землю в горнодобывающих энергосистемах требует особого внимания из-за конфигурации заземления. Многие горнодобывающие энергосистемы, особенно подземные установки, используют заземление с высоким сопротивлением или изолированную нейтраль, чтобы ограничить ток замыкания на землю до уровня, который не создает непосредственной опасности поражения электрическим током, в то же время позволяя системе продолжать работу при наличии единственного замыкания на землю. Это прямо противоречит философии заземления с низким сопротивлением, используемой в большинстве распределительных систем коммунальных предприятий, где замыкания на землю необходимо устранять немедленно. Координация реле защиты должна отражать ту философию заземления, которую использует система: в заземленных системах с высоким сопротивлением реле замыкания на землю должно обеспечивать сигнализацию при первом замыкании на землю и отключение при втором замыкании — логическая последовательность координации, которую легко неправильно сконфигурировать и которая в случае неправильной настройки может иметь серьезные последствия для безопасности.

Номиналы распределительных устройств в условиях повторяющихся потрясений: почему стандартные варианты не оправдывают ожиданий

Распределительное устройство рассчитано на отключающую способность при коротком замыкании — максимальный ток, который оно может отключить при номинальном напряжении, — и на кратковременно выдерживаемый ток — максимальный ток, который оно может выдерживать в течение определенного периода (обычно одной секунды) без повреждений. Эти номиналы определяют работу распределительного устройства в условиях неисправности. Они не касаются напрямую того, что происходит с распределительным устройством, которое подвергается повторяющимся импульсам тока суб-уровня повреждения в течение длительного срока службы.

В горнодобывающей промышленности, где шина питания испытывает переходные процессы тока от 400 % до 600 % от уровня полной нагрузки несколько раз в час, каждый день, механические компоненты распределительного устройства — шины и их опоры, приводной механизм выключателя, направляющие выдвижного шасси и контактные системы — испытывают совокупную механическую усталость, которая не учитывается стандартными нормами. Изоляторы опор шин, рассчитанные на то, чтобы выдерживать электромагнитные силы, связанные с единичным коротким замыканием, могут образовывать микротрещины при повторяющихся импульсах суб-замыкания; эти трещины распространяются незаметно до тех пор, пока неисправность не приведет к катастрофическому отказу. Рабочие механизмы выключателя, циклически выходящие за пять лет на стандартном промышленном питателе, могут исчерпать тот же номинал механизма за восемнадцать месяцев на питателе горнодобывающей дробилки, который отключается и сбрасывается несколько раз за смену.

Рекомендации о том, как распределительное устройство в металлическом корпусе реагирует на токи повреждения и каковы механические последствия его номиналов на практике, можно найти в нашей технической статье, посвященной как высоковольтные распределительные устройства в металлическом корпусе справляются с короткими замыканиями и защищают энергосистемы . Правильная реакция на среду майнинга – это не просто выбор распределительное устройство высокого и низкого напряжения с более высоким номиналом отключающей способности, но с указанием повышенного класса механической нагрузки, большего количества номинальных рабочих циклов для автоматических выключателей на питателях дробилок и мельниц, а также интервала технического обслуживания, который отражает фактическое количество возникающих переходных процессов тока, а не только календарное время.

Энергия вспышки дуги является сопутствующей проблемой, которая усиливается в горнодобывающей промышленности. Доступный ток короткого замыкания на горнодобывающей подстанции часто бывает высоким из-за больших номинальных характеристик трансформатора и низкого сопротивления источника питания, а энергия вспышки дуги на любой панели распределительного устройства зависит от уровня тока короткого замыкания и времени отключения защиты. Когда время отключения защиты увеличивается (а оно должно быть при запуске двигателя и переходных процессах ударной нагрузки), энергия вспышки дуги увеличивается пропорционально. Дугостойкие конструкции распределительных устройств и реле обнаружения вспышки дуги, которые срабатывают за миллисекунды независимо от настройки задержки реле максимального тока, в настоящее время широко используются в распределительных устройствах среднего напряжения для горнодобывающей промышленности именно потому, что требования координации горнодобывающих нагрузок требуют времени отключения защиты, которое создает неприемлемо высокую энергию вспышки дуги при стандартных номиналах распределительных устройств.

Практический контрольный список проектирования для горнодобывающих энергетических систем

Описанные выше инженерные принципы воплощаются в набор конкретных требований к проектированию, которые должны присутствовать в технической спецификации любой горнодобывающей энергетической системы. Следующий контрольный список охватывает ключевые решения, которые отличают электрическую систему для горнодобывающей промышленности от стандартной промышленной установки эквивалентной номинальной мощности.

Проектирование горнодобывающей энергосистемы не является той областью, где консервативное применение стандартной производственной практики дает надежный результат. Характеристики ударной нагрузки оборудования, удаленная и опасная рабочая среда, а также требования к непрерывной работе, не оставляющие возможности для планового технического обслуживания во время производства, предъявляют требования к трансформаторам, реле защиты и распределительным устройствам, которые должны быть четко учтены на этапе спецификации. Цена занижения технических характеристик — это не только отказ оборудования, но и производственные потери, риск для безопасности и сложность восстановления установленной системы, которая не рассчитана на ту нагрузку, которую она должна нести.